STM32 串口接收防错乱实践：DMA 环形缓冲与帧头解析

目录前言环形缓冲区CubeMX配置代码编写帧格式环形缓冲区结构体和初始化串口环形缓冲写入环形缓冲区读取结语前言按上篇文章基于 STM32 的空调蓝牙遥控器设计与实现红外发射篇的步骤笔者测试中发现如果不小心按错先发了一个0x01或者别的数据即使再发送正常的三字节控制指令也不能响应了。因为错误的字节会占据串口接收数组的内容导致预期接收的三字节指令出现偏移。为解决这个问题笔者将串口环形缓冲与接收DMA相结合配合自定义的协议设置指令帧的帧头格式实现稳定可靠响应由串口接收到的控制指令。环形缓冲区环形缓冲区也叫循环缓冲区、循环队列或 Ring Buffer是计算机科学中一种非常常见的数据结构。它的核心特点是使用一块固定大小的连续存储空间并将其逻辑上看作首尾相连因此特别适合处理连续不断的数据流。环形缓冲区在初始时通常为空数据写入后会按照先进先出的顺序被读取也就是最早进入的数据最先被取出。需要注意的是读取数据时往往只是移动读指针被“读走”的内容并不会立刻从内存中消失而是保留在原位置直到后续被新数据覆盖。当缓冲区被写满后如果继续写入新数据就可能覆盖最旧的数据当然也有一些实现会选择禁止覆盖并在缓冲区满时返回错误或抛出异常。是否允许覆盖取决于具体的设计目标和应用场景。正因为它结构简单、效率高、非常适合流式数据处理所以环形缓冲区被广泛应用于串口通信、音视频缓存、嵌入式系统和操作系统底层等场景。CubeMX配置将串口DMA接收配置改成为环形当收到数据超过数组大小时MCU会自动覆盖数组最开始的内容。代码编写帧格式帧头0xAA命令长度信息0x033字节XX XX XX3字节的命令可选帧尾0x55环形缓冲区结构体和初始化环形缓冲区结构体主要包含指向缓冲数组的指针头索引尾索引等。typedef struct { uint8_t *buffer; uint16_t head; uint16_t tail; uint16_t count; uint8_t overflow; } RingBuffer_t; void RingBuffer_Init(RingBuffer_t *ringBuffer) { ringBuffer-head 0; ringBuffer-tail 0; ringBuffer-count 0; ringBuffer-overflow 0; ringBuffer-buffer buf; ringBuffer-count 0; HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(huart1, ringBuffer-buffer, RINGBUFFER_SIZE); }初始化函数负责将环形缓冲区变量赋值设置串口空闲中断。串口环形缓冲写入缓冲区的写入由串口空闲中断完成仅对空闲中断触发做处理简化操作。当串口空闲时头索引等于接收到的字节数。uint8_t size; void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size) { if (huart huart1) { if (HAL_UARTEx_GetRxEventType(huart) HAL_UART_RXEVENT_IDLE) { size Size; ringBuffer.head size % RINGBUFFER_SIZE; } } }环形缓冲区读取如果环形缓冲区是空就直接返回否则读取一个字节的内容并使用指针传递出去。uint8_t RingBuffer_Get(RingBuffer_t *ringBuffer, uint8_t *data) { if (RingBuffer_IsEmpty(ringBuffer)) { return 0; } *data ringBuffer-buffer[ringBuffer-tail]; ringBuffer-tail (ringBuffer-tail 1) % RINGBUFFER_SIZE; ringBuffer-count--; return 1; }在周期函数中读取缓冲区内容寻找帧头尝试匹配格式判断是否出现控制指令。char str[40]; void AC_cycle(void) { uint8_t data; RingBuffer_Get(ringBuffer, data); if (data 0xAA) { RingBuffer_Get(ringBuffer, data); if (data 0x03) { RingBuffer_Get(ringBuffer, AC_CMD_Receive[0]); RingBuffer_Get(ringBuffer, AC_CMD_Receive[1]); RingBuffer_Get(ringBuffer, AC_CMD_Receive[2]); AC_CMD_Request 1; } } if (AC_CMD_Request 1) { Normal_Code(AC_CMD_Receive[0], AC_CMD_Receive[1], AC_CMD_Receive[2]); sprintf((char*)str, BLUE CMD: %02X %02X %02X\r\n, AC_CMD_Receive[0], AC_CMD_Receive[1], AC_CMD_Receive[2]); HAL_UART_Transmit(huart1, (uint8_t*)str, strlen(str), HAL_MAX_DELAY); AC_CMD_Request 0; display_new_cmd_flag 1; display_showCMD(str); } }蓝牙发送0x01 0x02 0x03 0x04 buf存放接收到的内容头索引的值变成4继续运行由于没有检测到帧头就不会执行红外发射。同时尾索引的值也等于头索引这是在周期内不停读取环形缓冲的缘故。此时环形缓冲区为空。发送正常指令例如0xAA 0x03 0xFF 0xFF 0xFF数组第一个元素被覆盖头索引变成1而尾索引还停留在上次的4。对环形缓冲区而言多了从4到7这4个元素0xAA 0x03 0xFF 0xFF还有00xFF。 执行完RingBuffer_Get函数尾索引data是0xAA接着读取环形缓冲区下一个元素。将剩余指令全部取出。如果蓝牙发送0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09共9字节的数据数组溢出第一个元素变成0x09头索引的值变成1此时再发送正常指令例如0xAA 0x03 0xFF 0xFF 0xFF也可以正常响应因为周期函数会一直读取环形缓冲尾索引也变成1环形缓冲区再次为空……结语经过测试使用环形缓冲和帧格式后系统的鲁棒性大大提高无效数据得以滤除真正有效的指令信息可以被稳定执行。